Moderne Optik und Lichtmanagement

Eine Schlüsselstrategie zur Senkung der wirtschaftlichen Kosten der Photovoltaik der nächsten Generation besteht darin, ihr Potenzial zur Absorption der einfallenden Sonnenstrahlung und deren Umwandlung in elektrische Energie zu verbessern. Unsere Gruppe entwirft, entwickelt und prototypisiert neuartige optische Konzepte für eine verbesserte Lichteinkopplung an der Vorderseite des Solarmoduls sowie Lichtabsorptionskonzepte, die es ermöglichen, das gesamte einfallende Licht zu lenken und in der Solarzelle effizienter zu absorbieren. Wie wir in einem Perspektivpapier im Jahr 2019 [1] ausführlich dargelegt haben, sind Lichtmanagementkonzepte auch der Schlüssel zu hocheffizienter Tandem-Photovoltaik auf Perowskitbasis.

Maßgeschneiderte Licht-Materie-Wechselwirkung in nanophotonischen Perowskitsolarzellen

Nanophotonische Elektroden und nanostrukturierte Perowskit-Solarzellen nutzen das gesamte Potenzial periodischer oder quasiperiodischer 3D-nanostrukturierter Materialien, um die spektrale und winkelmäßige Lichtausbreitung, die Lichteinkopplung und die Lichtauskopplung zu steuern [2] [3] [4]. In einer kürzlich durchgeführten Studie berichteten wir über das simulationsbasierte Design, die Implementierung und das Prototyping von nanophotonischen Frontelektroden für Perowskit/c-Si-Tandemsolarzellen, was zu einer erheblichen Verbesserung des Wirkungsgrads bei der Energieumwandlung führte [5].

Abbildung 1: Foto der Vorderseite von Prototyp-Perowskit-Solarzellen mit nanophotonischen Frontelektroden. Die fünf Bereiche mit verminderter Helligkeit zeigen die Bereiche der Nanostrukturen der ITO-Frontelektrode an. Die Lichtstreuung an den nanostrukturierten Elektroden ist durch einen farbigen Schleier erkennbar.

 

Lichtlenkung um Verbindungslinien, Kontaktfinger und tote Bereiche

Unsichtbarkeitsverschleierung durch Freiformflächen ist ein neues Konzept, um einfallendes Licht für alle Einfallswinkel von inaktiven Bereichen der Solarzellen wegzulenken. In Zusammenarbeit mit unseren Partnern haben wir eine Freiformfläche realisiert, die es ermöglicht, Verbindungslinien und Fingergitter auf der Vorderseite von Solarzellen und Modulen unsichtbar zu machen. [6] [7] [8]

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips der Tarnkappe, die das Sonnenlicht an den Kontakten vorbei auf die aktive Fläche der Solarzelle leitet. (Grafik: Martin Schumann, APH, KIT).

 

Was lehrt uns die Natur für das Lichtmanagement in Solarzellen?

Die Evolution der Natur bietet eine Vielzahl von Lösungen für wissenschaftliche und technologische Herausforderungen. In einer Studie aus dem Jahr 2017 haben wir die einzigartige Textur von Viola-Blütenblättern für eine verbesserte Lichtausbeute in Solarzellen genutzt [9]. Inspiriert von diesen Beobachtungen leiteten wir künstliche konische Mikrotexturen für die Vorderseitenbeschichtung von Solarmodulen ab, die ein weiter verbessertes Lichtmanagement ermöglichten [6] [10] [11]. Zusätzlich zu den optischen Verbesserungen weisen diese Mikrotexturen sogar eine superhydrophobe Oberfläche auf, die einen Selbstreinigungseffekt bewirkt [12].

Abbildung 3: Die Textur der Viola-Blume verbessert die externe Quanteneffizienz (EQE) einer Silizium-Solarzelle. Die verringerte Reflexion des einfallenden Lichts ist deutlich an der verringerten Helligkeit zu erkennen. Die Viola-Textur besteht aus mikroskopisch kleinen Kegeln.